Aerodynamische und aeroakustische Messungen am Windkanal zur Validierung numerischer Simulationen

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1 DGLR Fachausschusssitzung Strömungsakustik/ Fluglärm DLR Braunschweig, Aerodynamische und aeroakustische Messungen am Windkanal zur Validierung numerischer Simulationen Andreas Zeibig, Marcus Bauer 1

2 Eingliederung der Messungen ins SWING+-Projekt 2 DFG-Projekt SWING : Simulation of Wing-Flow Noise Generation (Kooperation mit DLR Braunschweig, RWTH Aachen, Universität Stuttgart, TU Berlin) Teilaufgabe TU Dresden: Numerische Simulation der Schallabstrahlung von überströmten Kanten Mehrstufiger Lösungsansatz: Strömungssimulation, Generierung von synthetischer Turbulenz und eines Quellgliedes, akustische Simulation (unter Verwendung von Programmen des DLR BS) Validierung der Rechnungen durch aerodynamische und akustische experimentelle Untersuchungen notwendig Messungen am Windkanal an Modellstrukturen (erster Testfall: dünne ebene Platte, derzeit: NACA0012-Profil)

3 3 Rechenalgorithmus CFD-Code FLOWer Interpolation RANS Gleichungen und k- ω -Turbulenzmodell Grundströmung ρ 0, v 0, p 0 k Synthetisches Turbulenzfeld DGL-System mit Quellterm Grundlage: Linearisierte Eulergleichungen v t Erklärungen zum Rechenalgorithmus: Strömungssimulation mit DLR-Code FLOWer, Berechnung von Grundströmung v0 und Turbulenzenergie k Generierung eines Quelltermes mit synthetischer Turbulenz, Verwendung des k aus RANS Lösung der linearisierten Eulergleichungen mit DLR-Code PIANO, Schallentstehung durch Wechselwirkung der Turbulenz mit der Hinterkante Unbekannte: ρ ', v', p' Anregung von turbulenten Fluktuationen im Quellgebiet Wechselwirkung mit Hinterkante Hinterkantenlärm CAA-Code PIANO

4 4 Verwendete Messtechniken Validierung der RANS-Rechnungen erfolgt durch Hitzdrahtmessungen: - großer Dynamikumfang (ca. 50 db) - ausgeglichener Frequenzgang bis weit über 20kHz - Turbulenz in Plattengrenzschicht und Nachlauf nicht isotrop, deshalb Einsatz von 3D-Hitzdrahtmesstechnik notwendig Einzelmikrofonmessungen (Schalldruckspektrum, Richtcharakteristik der Schallabstrahlung) - Geringer technologischer Aufwand - Einfache Messung und Auswertung - Bestimmung der Absolutwerte problemlos möglich Schallquellenlokalisierung mit Mikrofonarray - Hoher technologischer Aufwand - Ortung von Schallquellen möglich - Bestimmung von Absolutwerten der Quellstärke schwierig, Untersuchungsthema Untersuchte Modellstruktur: Tragflügelprofil NACA0012

5 Profil NACA 0012 Probleme bei den Messungen Erste Tests ohne Trippstreifen durchgeführt, Transition im Bereich der Profilhinterkante Ausbildung von TS-Wellen, Pfeiftöne Nach Aufbringen eines Trippstreifens kontrollierte Transition bei ca. 20% der Sehnenlänge Pfeiftöne verschwinden L p,1/24oktav in db f in Hz Messungen am ungetrippten Profil: Links: Schalldruckpegelspektrum bei v 0 =20m/s, Abstand zur Profilhinterkante 0,5m Rechts: Turbulenzspektrum im Nachlauf des Profils, x-abstand zur Hinterkante 1mm 5

6 Profil NACA 0012 Vergleich: Strömungssimulation und Hitzdrahtmessungen v 0 in m/s v 0 in m/s U mess V mess U RANS V RANS 0 5 Strömungssimulation: 2D-RANS- Rechnung mit DLR-Code FLOWer ( Zellen) Messung: 3D-Hitzdrahtmessystem, Anemometer Dantec, Hitzdraht AIA Nachlauf des getrippten NACA0012-Profils k mess k RANS Oben: Komponenten U, V der mittleren Strömungs-geschwindigkeit k in m 2 /s z in mm (Profilmitte bei z=0) k in m 2 /s z in mm (Profilmitte bei z=0) Unten: Kinetische Turbulenzenergie k Abstände zur Hinterkante des Profils in x-richtung: Links: 1mm Rechts: mm Gute Übereinstimmung der Maximalwerte, aber noch deutliche Unterschiede in den Verläufen RANS-Modellierung, Messgenauigkeit überprüfen 6

7 7 Profil NACA 0012 Akustische Messungen: Koordinatensystem & Messbedingungen CAA-Rechnung CAA-Code PIANO des DLR - Generation des Quellterms mit synthetischer Turbulenz, Anzahl der Turbulenzmoden N turb =72-2D-Rechnung, Größe des Rechengitters: Punkte Akustische Messungen Einzelmikrofonmessungen mit Spektralanalysator - Messung unter Quasi-Freifeldbedingungen - Jedes Messergebnis durch Mittelung über 0 Einzelspektren entstanden v 0 Trippstreifen Profil, Sehnenlänge l Messpunkt y α r r x Koordinaten: Profil NACA0012, Sehnenlänge l=120mm PSD: Vergleich von gemessenen und berechneten PSD-Spektren am Punkt P(x,y,z)=(0,1.5*l,0) Richtcharakteristik der Schallabstrahlung - Rechnung, Kreis um die Hinterkante mit Radius r/l=1.5 - Messung: ausgewählte Punkte auf Kreis um Hinterkante mit Radius r/l=2.5

8 Profil NACA 0012 Schalldruckspektrum (PSD) PSD in db Rechnung, korrigiert 5 Messung - Profil Messung - Störspektrum 0 1 1,25 1,6 2 2,5 3, ,3 * 3 Frequenz in Hz - Korrekturfaktor von -db zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse aus 2D-Rechnung und 3D-Messung, korrespondierend zu Ma=0.11: P 2 dim ~ Ma P 3 ~ Ma dim (Rechnung) (Messung) Trotzdem noch ca. db Unterschied zwischen Rechnung und Messung Mögliche Ursachen: 4 5 Genauigkeiten bei Turbulenzenergie k? Evtl. Verwendung des gemessenen k Weitere Überlegungen zum Quellglied und dessen Größe notwendig Vergleich der Rechnungen/ Analysatormessergebnisse mir Arrayergebnisse (sofern quantitativ auswertbar) 8

9 Profil NACA 0012 Richtcharakteristik des Schalldrucks p / p max 60 θ CAA-Simulation: Richtcharakteristik im Zeitbereich berechnet Normiert auf max. Schalldruck Messung: Richtcharakteristik im Frequenzbereich berechnet (2kHz 12kHz) Da max. Schalldruck auf Vollkreis nicht bekannt Abschätzung des Normierungsdrucks, so dass eine gute Übereinstimmung mit Rechnung und Theorie erreicht wird Relativ gute Übereinstimmung von Messung und Rechnung Abweichungen auf Störung der Messung durch Randturbulenzen des Freistrahls zurückzuführen sin(theta/2) Simulation Messung 9

10 Mikrofonarray Messungen am NACA0012-Profil mit einem 32-Kanal-Ringarray: Messaufbau 0.6 Mikrofone: Arraygeometrie: 2 konzentrische Kreise mit je 16 Mikrofonen 32 Eigenbau-Elektretmikrofone unter Verwendung der Kapsel Sennheiser KE4 Einbau der Mikrofone in schallreflektierende Fläche (MDF-Platte) Datenerfassung: Messwerterfassung mit 2 MSX16 der Fa. Sinusmesstechnik Leipzig Beamforming: Beamforming im Frequenzbereich Erarbeitung der Arraygeometrie und der Auswertesoftware sowie Durchführung der Messungen in Zusammenarbeit mit der Fa. Akustikforschung Dresden Durchführung der Messungen in Zusammenarbeit mit: Gesellschaft für Akustikforschung Dresden GmbH Sinus Messtechnik Leipzig GmbH

11 Mikrofonarray Messungen am NACA0012-Profil mit einem 32-Kanal-Ringarray: Ergebnisse L p_terz, f m_terz =4kHz L p_terz, f m_terz =8kHz Messung bei Ma=0.11 (entspricht v 0 =37m/s), dargestellt sind relative Schalldruckpegel in Terzbändern Abstand Arraymittelpunkt Quellebene = 0.8m, die Position des Profils ist in den Grafiken gekennzeichnet Durchführung der Messungen in Zusammenarbeit mit: Gesellschaft für Akustikforschung Dresden GmbH Sinus Messtechnik Leipzig GmbH 11

12 12 Zusammenfassung Zusammenfassung: NACA 0012 Profil: -Anfänglich Probleme mit zu später Transition am Modell für die Messung durch Aufbringen eines Trippstreifens geklärt -Schlechte Übereinstimmung der Schalldruckspektren: Verbesserungen beim Quellterm (Rechnung) notwendig, gute Übereinstimmung der Richtcharakteristik -Mäßige Übereinstimmung Hitzdrahtmessungen/RANS: Verbesserung des RANS-Modelles? Messgenauigkeit? Mikrofonarray: - Anwendung einer angepassten Arraygeometrie und einer Frequenzbandfilterung, deutliche Unterdrückung von Nebenkeulen / Spiegelquellen - Ergebnisse: Hinterkante deutlich auflösbar - Weitere Arbeiten: Quantitative Bestimmung der Schalldruckpegel / Quellstärken notwendig

13 Gliederung Rechenalgorithmus 2. Verwendete Messtechniken 3. Aerodynamik: Hitzdrahtmessungen/RANS 4. Schallausbreitung: Spektralanalysator/PIANO 5. Quellortung: Mikrofonarraymessungen

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